專利名稱：基于一維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標(biāo)傳感方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精密儀器制造及測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種"亞宏觀"領(lǐng)域中對(duì)微小、復(fù)雜 內(nèi)腔的結(jié)構(gòu)尺寸和二維坐標(biāo)的傳感方法與裝置，尤其適用于大深徑比微小孔的測(cè)量。
背景技術(shù)：
工業(yè)產(chǎn)品發(fā)展的趨勢(shì)之一就是內(nèi)尺度微小化與精密化，隨著航空航天工業(yè)、電子工業(yè)、 醫(yī)療器械的發(fā)展，精密微小內(nèi)腔構(gòu)件的需求急劇增長(zhǎng)，如燃料射噴管、慣性儀表、光纖插芯、 拉絲模、電路印板和醫(yī)療器械中的孔(如耳咽管)等。由于受到空間尺度的限制以及測(cè)量 接觸力的影響，微小內(nèi)腔構(gòu)件內(nèi)尺度的精密測(cè)量變得難以實(shí)現(xiàn)，尤其是測(cè)量深度難以提高， 這些已成為制約行業(yè)發(fā)展的"瓶頸"。顯微鏡成像法雖然可以測(cè)量微小內(nèi)腔尺寸，但是測(cè)量深 度受到很大限制，無(wú)法進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域。為了實(shí)現(xiàn)更小的內(nèi)尺寸測(cè)量、增加測(cè)量深度， 最廣泛使用的辦法是使用細(xì)長(zhǎng)的探針伸入微小內(nèi)腔進(jìn)行探測(cè)，通過(guò)瞄準(zhǔn)發(fā)訊的方式測(cè)量不同
深度上的微小內(nèi)尺寸。因此，目前微小內(nèi)腔尺寸的精密測(cè)量主要以坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM， Coordinate Measuring Machine)結(jié)合具有纖細(xì)探針的瞄準(zhǔn)發(fā)訊式探測(cè)系統(tǒng)(PS， Probing System) 為主，其中坐標(biāo)測(cè)量機(jī)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，可以提供精密的三維空間運(yùn)動(dòng)，因此瞄準(zhǔn) 觸發(fā)式探針的探測(cè)方式成為微小內(nèi)腔尺寸探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
目前，微小內(nèi)尺寸測(cè)量的主要手段包括以下幾種方法
1、 中國(guó)天津大學(xué)的楊世民教授等人提出一種彈性尺寸傳遞理論，基于這一原理研制了膜 片式盲小孔測(cè)頭，以膜片為敏感元件，把測(cè)桿視為變形很大的彈性體，通過(guò)精密標(biāo)定自動(dòng)補(bǔ) 償彈性測(cè)桿變形誤差，將測(cè)頭安裝在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上，可對(duì)各種方向的通盲小孔進(jìn)行接觸測(cè) 量，測(cè)出其任意截面的尺寸和形狀誤差，可以測(cè)量①300 pm、深徑比為40的盲孔，測(cè)量結(jié)果 的不確定度為lpm (楊世民，李樹(shù)和，張國(guó)雄等。膜片式小孔測(cè)頭的設(shè)計(jì)與研究，計(jì)量學(xué)報(bào)， 1998年第19巻第2期)。這種方法測(cè)頭與測(cè)桿難以進(jìn)一步小型化，測(cè)頭的最大非線性誤差為 0.2pm，測(cè)量精度難以進(jìn)一步提高。
2、 日本的Masuzawa等人利用硅加工的工藝制作了硅質(zhì)微型探針，把探針作為阻抗元件 接入電路中，提出一種振動(dòng)掃描的方法進(jìn)行孔徑測(cè)量，把探針的機(jī)械變動(dòng)量直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?號(hào)進(jìn)行測(cè)量，能夠?qū)IOO nm孔徑實(shí)施測(cè)量，測(cè)量深度可達(dá)到3mm，測(cè)量結(jié)果的不確定度 為 0.5 nm (B.J. Kim, T. Masuzawa and T. Bourouina The vibroscanning method for the measurement of micro-hole profiles, Meas. Sci. Technol. 10 (1999) 697—705.)。這種方法由于采用 了外加振動(dòng)源，測(cè)量數(shù)據(jù)的漂移較大，另外，它的探針測(cè)頭末端幾何形狀為矩形，測(cè)量孔時(shí) 存在盲區(qū)，導(dǎo)致測(cè)量精度只能到達(dá)亞微米級(jí)。
3、 德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB， Physikalisch-Technische Bundesanstalt)的Schwenke 教授等人提出了一種微光珠散射成像法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)探針測(cè)頭的二維監(jiān)測(cè)，他們利用單光纖作為探針測(cè)桿，把微光珠粘接或者焊接到測(cè)桿末端，使光線耦合進(jìn)入光纖內(nèi)部傳播到微光珠上 形成散射，用一個(gè)面陣CCD接收散射光形成敏感信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了微力接觸式測(cè)量，測(cè)量了 0214 pm的孔徑，測(cè)量深度為0.8mm，測(cè)量結(jié)果的不確定度為1 pm，測(cè)量力為pN量級(jí)(吉貴軍， Schwenke H Tmpet E，羅震。發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴微小噴油孔尺寸和形狀測(cè)量系統(tǒng)，內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)， 1998年，第16巻第4期)。后來(lái)Schwenke教授等人拓展了這種方法，在測(cè)桿上粘接了一個(gè) 微光珠，同時(shí)增加了一路對(duì)該微光珠的成像光路，這使得該探測(cè)系統(tǒng)具備了三維探測(cè)能力， 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)球時(shí)得到的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.2|im (H. Schwenke, R Waldele, C. Weiskirch， H. Kunzmann. Opto-tactile Sensor for 2D and 3D Measurement of Small Structures on Coordinate Measuring Machines, Annals of CIRP 50/1 (2001), pp. 361-364)。這種方法在測(cè)量深孔過(guò)程中，由于微光珠 散射角度較大，隨著測(cè)量深度的增加，微光珠散射成像光斑的質(zhì)量由于散射光線受到孔壁遮 擋而逐漸降低，導(dǎo)致成像模糊，降低了測(cè)量精度，因此無(wú)法實(shí)施大深徑比的高精度測(cè)量。
4、中國(guó)哈爾濱工業(yè)大學(xué)譚久彬教授和崔繼文博士等人提出一種基于雙光纖耦合的探針結(jié) 構(gòu)，把兩根光纖通過(guò)末端熔接球連接，熔接球作為測(cè)頭， 一根較長(zhǎng)光纖引入光線，另外一根 較短導(dǎo)出光線，克服了微光珠散射法測(cè)量深度的局限，可以測(cè)量O100nm以上的孔，測(cè)量結(jié) 果的不確定度為0.25 pm，測(cè)量深度可以達(dá)到5mm (譚久彬，崔繼文，鄒麗敏等?；陔p光 纖耦合的微小內(nèi)腔尺寸測(cè)量裝置與方法，專利申請(qǐng)?zhí)朲L200510102478.6)。這種方法由于探 針尺寸很小且具有微觀的特征結(jié)構(gòu)，因此制作工藝難度很大，給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)困難，測(cè)量精 度為亞微米量級(jí)。
5 、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(National Institute of Standard Technology, NIST)使用了單光纖 測(cè)桿結(jié)合微光珠測(cè)頭的探針，通過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)在二維方向上將光纖測(cè)桿成像放大35倍左右，用 2個(gè)面陣CCD分辨接收二維方向上光纖測(cè)桿所成的像，然后對(duì)接收到的圖像進(jìn)行輪廓檢測(cè)， 從而監(jiān)測(cè)光纖測(cè)桿的在測(cè)量過(guò)程中的微小移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)觸發(fā)式測(cè)量，該探測(cè)系統(tǒng)的理論分 辨力可以達(dá)到4nm，探測(cè)系統(tǒng)的探針測(cè)頭直徑為①50 pm，實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了 0129 的孔徑， 測(cè)量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度達(dá)到了70mn(k-2)，測(cè)量深度可以達(dá)到5mm，測(cè)量力為nN量級(jí)(B. Muralikrishnan, J.A. Stone,丄R. Stoup. Fiber deflection probe for small hole metrology. Precision Engineering 30 (2006) 154-164.)。這種方法探測(cè)分辨力高，測(cè)量精度高，使用的測(cè)頭易于小型 化，可以測(cè)量較大深徑比的微孔，是目前微小內(nèi)腔尺寸測(cè)量中測(cè)量分辨力最高的方法。該方 法的局限是成像單元對(duì)光纖測(cè)桿的微位移放大倍數(shù)較低(僅有35倍)，必須通過(guò)圖像算法進(jìn) 一步提高分辨力，探測(cè)光纖測(cè)桿的二維微位移必須使用兩套成像系統(tǒng)，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù) 雜，測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算量比較大，這些因素導(dǎo)致探測(cè)系統(tǒng)的分辨力難以進(jìn)一步提高，探測(cè)系統(tǒng)的 實(shí)時(shí)性較差，系統(tǒng)構(gòu)成比較復(fù)雜。
6、瑞士聯(lián)合計(jì)量辦公室(Swiss Federal Office of Metrology, METAS )研發(fā)了一個(gè)新型 的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)致力于小結(jié)構(gòu)件納米精度的可追跡的測(cè)量。該測(cè)量機(jī)采用了基于并聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)原 理的彎曲鉸鏈結(jié)構(gòu)的新型接觸式探針，該設(shè)計(jì)可以減小移動(dòng)質(zhì)量并且確保全方向的低硬度， 是一個(gè)具有三維空間結(jié)構(gòu)探測(cè)能力的探針。這一傳感結(jié)構(gòu)的測(cè)量力低于0.5mN，同時(shí)支持可 更換的探針，探針頭的直徑最小到OO.hmn。探測(cè)系統(tǒng)結(jié)合了一個(gè)由PhilipsCFT開(kāi)發(fā)的高位 置精度的平臺(tái)，平臺(tái)的位置精度為20nm。該測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量重復(fù)性的標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到5nm，最大 偏差為20nm，測(cè)量結(jié)果的不確定度為50nm (A. Kung, R Meli and R. Thalmann， Ultraprecision
5Micro-CMM Using a Low Force 3D Touch Probe， Measurement Science and Technology 18 (2007): pp. 319-327.)。該種方法結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，同時(shí)要求測(cè)桿具有較高的剛度和硬度，否則難以實(shí) 現(xiàn)有效的位移傳感，這使得測(cè)桿結(jié)構(gòu)難以進(jìn)一步小型化，測(cè)量深徑比同時(shí)受到制約，探測(cè)系 統(tǒng)的分辨力難以進(jìn)一步提高。
綜上所述，目前微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標(biāo)探測(cè)方法中，由于光纖制作的探針具有探針尺 寸小、測(cè)量接觸力小、測(cè)量深徑比大、測(cè)量精度高的特點(diǎn)而獲得了廣泛關(guān)注，利用其特有的 光學(xué)特性和機(jī)械特性通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)了一定深度上的微小內(nèi)尺寸的精密測(cè)量。現(xiàn)存測(cè)量手 段主要存在的問(wèn)題有
1、 探測(cè)系統(tǒng)的位移分辨力難以進(jìn)一步提高。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院采用的探測(cè)方法具 有4nm的理論分辨力(B. Muralikrishnan, J.A. Stone, J.R. Stoup. Fiber deflection probe for small hole metrology. Precision Engineering 30 (2006) 154—164.)，這一分辨力是通過(guò)兩個(gè)步驟獲得的。 第一個(gè)步驟是光學(xué)成像放大，放大倍率為35倍，該步驟中，光纖測(cè)桿直徑一般在20tmi 125pm 之間，若要大幅提高光學(xué)成像放大倍率，則需要較復(fù)雜的成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及較大面積的CCD 接收器，這將導(dǎo)致該方法在微小深孔的測(cè)量應(yīng)用中失去可實(shí)施性。第二個(gè)步驟為使用圖像算 法進(jìn)行輪廓識(shí)別，從而判斷光纖測(cè)桿的位移量，該步驟的分辨力只能夠到達(dá)亞像素級(jí)水平， 難以大幅提高。
2、 探測(cè)系統(tǒng)在測(cè)量方向上沒(méi)有絕對(duì)"0"位置?，F(xiàn)存的對(duì)微小內(nèi)腔的探測(cè)手段主要通過(guò) 面陣CCD所接收的二維圖像來(lái)判斷光纖測(cè)桿的位移，這種方法不具有絕對(duì)"0"位置，這導(dǎo) 致探測(cè)系統(tǒng)難以辨別測(cè)量要素的極性，也難以獲得更高的測(cè)量重復(fù)性。
3、 探測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性差，難以實(shí)現(xiàn)精密的在線測(cè)量。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院采用的探測(cè) 方法必須使用兩路面陣CCD接收信號(hào)圖像(B. Murali- krishnan, J.A. Stone, J.R. Stoup. Fiber deflection probe for small hole metrology. Precision Engineering 30 (2006) 154~164.)，并且由于光 纖測(cè)桿成像光路放大倍率僅有35倍，必須使用較復(fù)雜的圖像算法才能實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖測(cè)桿位移的 高分辨力監(jiān)測(cè)，這導(dǎo)致測(cè)量系統(tǒng)需要處理的數(shù)據(jù)量大大增加，降低了探測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能， 難以實(shí)現(xiàn)微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標(biāo)測(cè)量過(guò)程中瞄準(zhǔn)發(fā)訊與啟、止測(cè)量的同步性。
4、 實(shí)現(xiàn)位移傳感的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院采用的探測(cè)方法必須使用兩 路正交的光纖測(cè)桿成像光路才能實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖測(cè)桿位移的二維探測(cè)(B. Murali- krishnan, J.A. Stone, J.R. Stoup. Fiber deflection probe for small hole metrology. Precision Engineering 30 (2006) 154~164.)，這導(dǎo)致成像光路的調(diào)整比較困難，需要校對(duì)兩路光路的正交性，兩路光路后續(xù)的 圖像信號(hào)處理也比較復(fù)雜，需要解決兩路信號(hào)的同步性問(wèn)題，這些都使得該種方法在具體使 用和操作方面無(wú)法進(jìn)一步提高工作效率。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述已有技術(shù)的不足，以滿足微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標(biāo)測(cè)量高精度、大深徑比 與快速測(cè)量的需求，本發(fā)明提出一種基于一維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標(biāo)傳感方法 與裝置。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的-
一種基于一維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標(biāo)傳感方法，通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖 探針測(cè)桿二維位移的傳感
將光纖探針測(cè)桿的一部分作為具有超大曲率的微柱面雙凸透鏡使用；
② 利用步驟①所述的微柱面雙凸透鏡組建點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路，所成像為一亮 條紋；
③ 利用步驟②所述的點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路將光纖探針測(cè)桿相對(duì)于點(diǎn)光源的二維 位移變化轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路所成的亮條紋變化，即亮條紋的能量中心位置 的變化和亮條紋的寬度的變化；
④ 點(diǎn)光源與微柱面雙凸透鏡在唯一一個(gè)特定的物距下，步驟②所述的點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn) 直成像光路所成像具有最小的條紋寬度和最小的偏度絕對(duì)值，將該特定的物距下的光纖探針 測(cè)桿所在位置作為二維位移傳感方向上的絕對(duì)"0"位置；
⑤ 利用光電轉(zhuǎn)換器件將步驟③所述的點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路所成像轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?br> 號(hào)；
⑥ 利用數(shù)據(jù)采集與處理模塊實(shí)現(xiàn)將步驟⑤所得到的電信號(hào)進(jìn)行采集與處理，獲得步驟③ 所述的點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路所成像的變化信息，完成對(duì)光纖探針測(cè)桿相對(duì)于點(diǎn)光源 的二維位移變化量的提取。
一種基于一維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標(biāo)傳感裝置，包括裝配臺(tái)，在裝配臺(tái)上 從左至右依次裝配第一連接架、第二連接架、第三連接架和第四連接架，四維調(diào)整架、球面 透鏡組、五維調(diào)整架和CCD依次分配安裝在第一連接架、第二連接架、第三連接架和第四連 接架下側(cè)部上，平行光光源配裝在四維調(diào)整架上，光纖探針測(cè)桿配裝在五維調(diào)整架上，在光 纖探針測(cè)桿下端部上安裝光纖探針測(cè)頭，數(shù)據(jù)傳輸線兩端分別連接在CCD和數(shù)據(jù)采集處理器 上，其中由平行光光源和球面透鏡組組成點(diǎn)光源獲取單元，通過(guò)光的折射方式獲得點(diǎn)光源； 由點(diǎn)光源和光纖探針測(cè)桿組成點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像單元；CCD、數(shù)據(jù)傳輸線和數(shù)據(jù)采集 處理器組成光電接收以及數(shù)據(jù)采集處理單元。
本發(fā)明具有以下特點(diǎn)及良好效果
1、 本發(fā)明所提出的傳感方法與裝置是利用光纖探針測(cè)桿具有超大曲率和微柱面雙凸透 鏡的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，組建了點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路，利用因微焦準(zhǔn)直與超大曲率微柱面雙 凸透鏡在離軸過(guò)程中所形成的特有的高倍位移放大特性與二次折射偏轉(zhuǎn)特性，產(chǎn)生了超高角 (線)位移靈敏度，位移分辨力可達(dá)深亞納米量級(jí)，這是本發(fā)明區(qū)別現(xiàn)有技術(shù)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn) 之一。
2、 本發(fā)明所提出的傳感方法與裝置將光纖探針測(cè)桿的二維位移轉(zhuǎn)換為亮條紋空間狀態(tài)
的變化，其條紋狀態(tài)的變化特性在二維測(cè)量方向上各自具有惟一的極值點(diǎn)，這使本發(fā)明所提
出的傳感方法與裝置在二維測(cè)量方向上具有了絕對(duì)"0"位置，這是本發(fā)明區(qū)別現(xiàn)有技術(shù)的 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)之二。3、 本發(fā)明所提出的傳感方法與裝置僅使用一個(gè)線陣CCD即可實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖探針測(cè)桿的二 維位移信息的高速提取，所提取的測(cè)量信號(hào)簡(jiǎn)單易處理，易于實(shí)現(xiàn)高速在線測(cè)量，這是本發(fā) 明區(qū)別現(xiàn)有技術(shù)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)之三。
4、 本發(fā)明所提出的傳感方法與裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在一個(gè)光路上即可實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖探針 測(cè)桿的二維位移量的高倍放大(放大倍率可達(dá)幾千倍至上萬(wàn)倍)與傳感，這是本發(fā)明區(qū)別現(xiàn) 有技術(shù)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)之四。
綜上所述，本發(fā)明不僅具備了單光纖探針測(cè)量力小、易于小型化以及可測(cè)量深徑比大的 特點(diǎn)，特別是傳感方法與裝置的位移分辨力相對(duì)于現(xiàn)有的4nm的技術(shù)水平獲得了一個(gè)數(shù)量級(jí) 以上的提高，且具有二維測(cè)量方向上的絕對(duì)"0"位置，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量信號(hào)處理高效 可靠、實(shí)時(shí)性好、易于實(shí)際應(yīng)用，可直接形成具有納米級(jí)、亞納米級(jí)乃至深亞納米級(jí)位移分 辨力的微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標(biāo)傳感方法與裝置，使用的光纖探針為目前主要微小內(nèi)腔尺度 探測(cè)方法中采用的光纖探針，其測(cè)量力為^N量級(jí)，光纖探針測(cè)桿半徑可加工至10nm，光纖 探針測(cè)頭半徑可加工至20[im，測(cè)量深度可達(dá)到5mm。


圖1為本發(fā)明的通過(guò)光的折射原理獲取點(diǎn)光源的基于一維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和二 維坐標(biāo)傳感裝置示意圖
圖2為本發(fā)明的通過(guò)光的反射原理獲取點(diǎn)光源的基于一維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和二 維坐標(biāo)傳感裝置示意圖
圖3為本發(fā)明的通過(guò)光的衍射原理獲取點(diǎn)光源的基于一維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和二 維坐標(biāo)傳感裝置示意圖
圖中l(wèi).裝配臺(tái)，2.第一連接架，3.第二連接架，4.五維調(diào)整架，5.第三連接架，6.第四連 接架，7.四維調(diào)整架，8.平行光光源，9.球面透鏡組，IO.點(diǎn)光源，ll.光纖探針測(cè)桿，12.光纖 探針測(cè)頭，13.點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路光軸，14.數(shù)據(jù)采集處理器，15.CCD， 16.數(shù)據(jù)線， 17.凹面反射鏡，18.平面反射鏡，19.微孔光闌。
具體實(shí)施例方式
一種基于一維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標(biāo)傳感方法，通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖
探針測(cè)桿二維位移的傳感
①將光纖探針測(cè)桿11的一部分作為具有超大曲率的微柱面雙凸透鏡使用； 光纖探針測(cè)桿11是將一段光學(xué)纖維作為探針的測(cè)桿，目的是需要利用光學(xué)纖維特有的光 學(xué)特性和機(jī)械特性其光學(xué)特性在于光纖探針測(cè)桿能夠作為柱面雙凸透鏡使用，能夠?qū)c(diǎn)光 源10所發(fā)射的光線進(jìn)行一維準(zhǔn)直；其機(jī)械特性在于光學(xué)纖維具有較高的剛度，抗變形能力很 強(qiáng)。由于想要探測(cè)的的對(duì)象為微小內(nèi)腔，因此光纖探針測(cè)桿11的半徑通常很小，其半徑通常
在10nm 100nm之間，其作為柱面透鏡的曲率在105m"~104m"之間，微柱面雙凸透鏡的焦距 為微米量級(jí)。光纖探針測(cè)桿11所形成的微柱面雙凸透鏡的焦距f可近似表達(dá)為-
2x(巧—1)
其中空氣的折射率為l，光纖探針測(cè)桿ll的折射率為n,，光纖探針測(cè)桿ll的半徑為r， 可見(jiàn)當(dāng)n產(chǎn)1.5，光纖測(cè)桿半徑在100pm以內(nèi)時(shí)，f小于50nm。
② 利用步驟Q所述的微柱面雙凸透鏡組建點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路，所成像為一亮 條紋；
利用光的折射、反射或者衍射原理獲得點(diǎn)光源，將點(diǎn)光源放置在光纖探針測(cè)桿ll作為柱 面透鏡部分的焦線上，則點(diǎn)光源所發(fā)出的光線被微柱面雙凸透鏡一維準(zhǔn)直，所成像為一亮條 紋。
③ 利用步驟②所述的點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路將光纖探針測(cè)桿相對(duì)于點(diǎn)光源的二維 位移變化轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路所成的亮條紋變化，即亮條紋的能量中心位置 的變化和亮條紋的寬度的變化；
當(dāng)光纖探針測(cè)桿11相對(duì)于點(diǎn)光源IO在點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路光軸13的垂直方向 發(fā)生位移時(shí)，點(diǎn)光源10經(jīng)光纖探針測(cè)桿11準(zhǔn)直后的光線將和點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路 光軸13產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，因此點(diǎn)光源10經(jīng)一維微焦準(zhǔn)直所成的亮條紋像的能量中心位置將發(fā)生變 化，且隨著像距的增加光路的位移放大倍率將線性增大，點(diǎn)光源10與光纖探針測(cè)桿11之間 的距離(物距)為微米量級(jí)，而像距通常在100mm以上，因此該光路能夠?qū)⒐饫w探針測(cè)桿 11相對(duì)于點(diǎn)光源10的偏移量高倍放大，放大倍率可達(dá)幾千倍至上萬(wàn)倍。
根據(jù)幾何光學(xué)的基本理論可以推導(dǎo)出，在點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路中，當(dāng)點(diǎn)光源IO 位于光纖探針測(cè)桿11的焦線上、光纖測(cè)桿的半徑為r、像距為l'、光纖探針測(cè)桿11的折射率 為im、空氣的折射率為1時(shí)，此時(shí)該光路對(duì)光纖探針測(cè)桿11在準(zhǔn)直光路光軸13垂直方向上 的位移放大率(3滿足
A*~^~^~ (2)
由于光纖測(cè)桿半徑一般在10pm^62.5nm之間，若取n尸L5， r=200mm,則容易計(jì)算出 放大率p的范圍在13333-2133之間，這與美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院采用的光學(xué)系統(tǒng)所具有 的35倍初級(jí)放大率相比獲得了兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上的提升。例如選取光纖探針測(cè)桿11的半徑為 25pm，其對(duì)應(yīng)的垂軸放大倍率根據(jù)式(2)可算得為5333.3，如果使用的CCD15的像元尺寸 為10pm，通過(guò)數(shù)據(jù)處理能夠分辨0.1個(gè)像元的變化，則此時(shí)傳感裝置對(duì)光纖探針測(cè)桿11在 點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路光軸13垂軸方向位移的理論分辨力a為
a =-^ 0.2歸 (3)
5333.3
如果對(duì)該裝置采用當(dāng)前市場(chǎng)上所能獲得的最佳的參數(shù)配備，g卩光纖探針測(cè)桿ll的半徑 為l(Vm時(shí)，其折射率n產(chǎn)1.7，像距r-300mm， CCD像元尺寸為7pm，利用圖像算法能夠分 辨0.1個(gè)像元的變化，則傳感裝置對(duì)光纖探針測(cè)桿11在準(zhǔn)直光路垂軸方向位移的理論分辨力a可達(dá)0.03nm。
進(jìn)一步增加像距，進(jìn)一步減小CCD15像元的尺寸，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)處理的分辨力，則該 理論分辨力還可以提高。
當(dāng)光纖探針測(cè)桿11在點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路光軸13方向發(fā)生位移時(shí)，成像條紋 的寬度將相應(yīng)發(fā)生變化，變化率同樣具有高倍線性放大特性。
可見(jiàn)，單個(gè)點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路不僅實(shí)現(xiàn)了將光纖探針測(cè)桿11的位移量的高 倍放大，而且所成像同時(shí)包含了光纖探針測(cè)桿11的二維位移信息，且該二維位移的成像信 息是可解耦的，即點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路所成亮條紋的能量中心的位置與條紋的寬度 分別能夠與光纖探針測(cè)桿11的二維位移相對(duì)應(yīng)。因此與現(xiàn)存主要測(cè)量手段相比，本發(fā)明所 提出的傳感方法具有更高的位移分辨力和更加簡(jiǎn)單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，更便于實(shí)際應(yīng)用。
④ 點(diǎn)光源與微柱面雙凸透鏡在唯一一個(gè)特定的物距下，步驟②所述的點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn) 直成像光路所成像具有最小的條紋寬度和最小的偏度絕對(duì)值，將該特定的物距下的光纖探針 測(cè)桿11所在位置作為二維位移傳感方向上的絕對(duì)"0"位置。
光纖探針測(cè)桿11在點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路光軸13垂直方向發(fā)生位移時(shí)，其成像 條紋能量的中心位置和偏度將發(fā)生變化，其偏度絕對(duì)值具有唯一的極小值，可將成像條紋能 量偏度絕對(duì)值有極小值的位置作為該方向位移探測(cè)范圍的絕對(duì)"0"位置。光纖探針測(cè)桿11 在點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路光軸13方向發(fā)生位移時(shí)，其成像條紋的偏度不變，條紋寬 度將相應(yīng)發(fā)生變化，條紋寬度具有唯一的極小值，可將成像條紋寬度具有極小值的位置作為 該方向位移探測(cè)的絕對(duì)"0"位置。
⑤ 利用光電轉(zhuǎn)換器件將步驟③所述的點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路所成像轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。
以光纖探針為主的現(xiàn)存的微小內(nèi)腔尺度探測(cè)系統(tǒng)中，大多數(shù)探測(cè)系統(tǒng)必須使用1個(gè)或者 2個(gè)面陣CCD才能獲得探針的二維微位移信息，同時(shí)必須使用較復(fù)雜的圖像算法實(shí)現(xiàn)探測(cè)系 統(tǒng)的高分辨力，這使得測(cè)量中的需要處理的數(shù)據(jù)量很大，降低了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。本發(fā)明所設(shè) 計(jì)的點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路實(shí)現(xiàn)了將光纖探針測(cè)桿11 二維位移量的高倍放大(放大 倍率可達(dá)幾千倍至上萬(wàn)倍)，所成的像為一條狹長(zhǎng)的條紋，只需要知道條紋的中心位置和寬 度就可以精確獲得光纖測(cè)桿的二維微位移信息，因此僅使用1個(gè)線陣CCD即可高效提取測(cè) 量信號(hào)，線陣CCD的采樣幀(行)頻最高可達(dá)68kHz以上，并且采集到的信號(hào)使用較簡(jiǎn)單 的算法即可獲得高分辨力的識(shí)別，大大提高了探測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。與現(xiàn)存主要測(cè)量手段相比， 本發(fā)明所提出的傳感方法與裝置其測(cè)量信號(hào)數(shù)據(jù)處理過(guò)程計(jì)算量更小，速度更快，更易于保 證微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標(biāo)測(cè)量過(guò)程中瞄準(zhǔn)發(fā)訊與啟、止測(cè)量的同步性，能夠?qū)嵤└呔鹊?在線測(cè)量。
⑥ 利用數(shù)據(jù)采集與處理模塊實(shí)現(xiàn)將步驟⑤所得到的電信號(hào)進(jìn)行采集與處理，獲得步驟③ 所述的點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路所成像的變化信息，完成對(duì)光纖探針測(cè)桿相對(duì)于點(diǎn)光源 的二維位移變化量的提取。一種基于一維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標(biāo)傳感裝置，包括裝配臺(tái)l,在裝配臺(tái)l 上從左至右依次裝配第一連接架2、第二連接架3、第三連接架5和第四連接架6，四維調(diào)整 架7、球面透鏡組9、五維調(diào)整架4和CCD15依次分配安裝在第一連接架2、第二連接架3、 第三連接架5和第四連接架6下側(cè)部上，平行光光源8配裝在四維調(diào)整架7上，光纖探針測(cè) 桿11配裝在五維調(diào)整架4上，在光纖探針測(cè)桿11下端部上安裝光纖探針測(cè)頭12，數(shù)據(jù)傳輸 線16兩端分別連接在CCD15和數(shù)據(jù)采集處理器14上，其中由平行光光源8和球面透鏡組 9組成點(diǎn)光源獲取單元，通過(guò)光的折射方式獲得點(diǎn)光源10;由點(diǎn)光源10和光纖探針測(cè)桿11 組成點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像單元；CCD15、數(shù)據(jù)傳輸線16和數(shù)據(jù)采集處理器14組成光電 接收以及數(shù)據(jù)采集處理單元。
所述的基于一維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標(biāo)傳感裝置，其平行光光源8所發(fā)射 的平行光光束的軸心、球面透鏡組9的光軸的軸心、點(diǎn)光源10的中心以及CCD15的中心在 點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路光軸13上，形成共軸光路，且光纖探針測(cè)桿11的軸線在豎直 方向與點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路光軸13垂直相交，光纖探針測(cè)頭12與點(diǎn)光源一維微焦 準(zhǔn)直成像光路光軸13有l(wèi)mm以上的距離。
所述的基于一維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標(biāo)傳感裝置，其點(diǎn)光源獲取單元可由 平行光光源8、平面反射鏡18和凹面反射鏡17組成，利用光的反射獲取點(diǎn)光源10，其中平 行光光源8和平面反射鏡18配裝在裝配臺(tái)1的上方，凹面反射鏡17配裝在裝配臺(tái)1的下方。
所述的基于一維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標(biāo)傳感裝置，其點(diǎn)光源獲取單元可由 平行光光源8和微孔光闌19組成，利用光的衍射獲取點(diǎn)光源10，其中微孔光闌19配裝在裝 配臺(tái)1下方，介于平行光光源8和光纖探針測(cè)桿11之間，且微孔光闌19的中心在點(diǎn)光源一 維微焦準(zhǔn)直成像光路的光軸13上，微孔光闌19的中心與點(diǎn)光源10的中心重合。
權(quán)利要求
1、一種基于一維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標(biāo)傳感方法，其特征在于通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖探針測(cè)桿二維位移的傳感①將光纖探針測(cè)桿的一部分作為具有超大曲率的微柱面雙凸透鏡使用；②利用步驟①所述的微柱面雙凸透鏡組建點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路，所成像為一亮條紋；③利用步驟②所述的點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路，將光纖探針測(cè)桿相對(duì)于點(diǎn)光源的二維位移變化轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路所成亮條紋能量中心位置的變化和亮條紋寬度的變化；④點(diǎn)光源與微柱面雙凸透鏡在唯一一個(gè)特定的物距下，步驟②所述的點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路所成像具有最小的條紋寬度和最小的偏度絕對(duì)值，將該特定的物距下的光纖探針測(cè)桿所在位置作為二維位移傳感方向上的絕對(duì)“0”位置；⑤利用光電轉(zhuǎn)換器件將步驟③所述的點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路所成像轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)；⑥利用數(shù)據(jù)采集與處理模塊實(shí)現(xiàn)將步驟⑤所得到的電信號(hào)進(jìn)行采集與處理，獲得步驟③所述的點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路所成像的變化信息，完成對(duì)光纖探針測(cè)桿相對(duì)于點(diǎn)光源的二維位移變化量的提取。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于一維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標(biāo)傳感方法，其特 征在于微柱面雙凸透鏡的焦距為微米量級(jí)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于一維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標(biāo)傳感方法，其特 征在于使用一個(gè)線陣光電轉(zhuǎn)換器件實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖探針測(cè)桿二維位移信息的提取。
4、 一種基于一維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標(biāo)傳感裝置，包括裝配臺(tái)(1)，其特 征在于在裝配臺(tái)(1)上從左至右依次裝配第一連接架(2)、第二連接架(3)、第三連接架(5) 和第四連接架(6)，四維調(diào)整架(7)、球面透鏡組(9)、五維調(diào)整架(4)和CCD (15)依 次分別安裝在第一連接架(2)、第二連接架(3)、第三連接架(5)和第四連接架(6)下側(cè) 部上，平行光光源(8)配裝在四維調(diào)整架(7)上，光纖探針測(cè)桿(11)配裝在五維調(diào)整架 (4)上，在光纖探針測(cè)桿(11)下端部上安裝光纖探針測(cè)頭(12)，數(shù)據(jù)傳輸線(16)兩端 分別連接在CCD (15)和數(shù)據(jù)采集處理器(14)上，其中由平行光光源(8)和球面透鏡 組(9)組成點(diǎn)光源獲取單元，獲得點(diǎn)光源(10);由點(diǎn)光源(10)和光纖探針測(cè)桿(11)組 成點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像單元；CCD (15)、數(shù)據(jù)傳輸線(16)和數(shù)據(jù)采集處理器(14)組 成光電接收以及數(shù)據(jù)采集處理單元。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于一維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標(biāo)傳感裝置，其特 征在于平行光光源(8)所發(fā)射的平行光光束的軸心、球面透鏡組(9)的光軸的軸心、點(diǎn)光 源(10)的中心以及CCD (15)的中心在點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路光軸(13)上，形成 共軸光路，且光纖探針測(cè)桿(ll)的軸線在豎直方向與點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路光軸(13) 垂直相交，光纖探針測(cè)頭(12)與點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路光軸(13)有l(wèi)mm以上的距 離。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于一維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標(biāo)傳感裝置，其特 征在于點(diǎn)光源獲取單元可由平行光光源(8)、平面反射鏡(18)和凹面反射鏡(17)組成，通過(guò)光的反射獲取點(diǎn)光源(10),其中平行光光源(8)和平面反射鏡(18)配裝在裝配臺(tái)(1) 的上方，凹面反射鏡(17)配裝在裝配臺(tái)(1)的下方。
7、根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于一維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標(biāo)傳感裝置，其特 征在于點(diǎn)光源獲取單元可由平行光光源(8)和微孔光闌(19)組成，通過(guò)光的衍射獲取點(diǎn)光 源(10)，其中微孔光闌(19)配裝在裝配臺(tái)(1)下方，介于平行光光源(8)和光纖探針測(cè) 桿(11)之間，且微孔光闌(19)的中心在點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路光軸(13)上，微 孔光闌(19)的中心與點(diǎn)光源(10)的中心重合。
全文摘要
基于一維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標(biāo)傳感方法與裝置屬于精密儀器制造及測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種“亞宏觀”領(lǐng)域中對(duì)微小、復(fù)雜內(nèi)腔的結(jié)構(gòu)尺寸和二維坐標(biāo)的傳感方法與裝置，尤其適用于大深徑比微小孔的測(cè)量，本發(fā)明利用光纖探針測(cè)桿具有超大曲率和微柱面透鏡的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)組建了點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路，利用該光路實(shí)現(xiàn)了對(duì)光纖探針測(cè)桿二維位移量的高倍放大與傳感，本發(fā)明不僅具備單光纖探針測(cè)力小、易小型化及測(cè)量深徑比大的特點(diǎn)，特別是分辨力最高可達(dá)深亞納米量級(jí)，且在二維測(cè)量方向具有絕對(duì)“0”位，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性好、易于實(shí)際應(yīng)用，在對(duì)微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標(biāo)實(shí)施快速、超精密的測(cè)量與校準(zhǔn)中具有顯著優(yōu)勢(shì)。
文檔編號(hào)G01B11/03GK101520314SQ20091007162
公開(kāi)日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2009年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月24日
發(fā)明者崔繼文, 飛 王, 譚久彬 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)